小彈簧　大考點

摘 要：文章通過用一根彈簧把重力、彈力、摩擦力、壓力、支持力、牽引力、浮力等聯(lián)系起來，把力與力之間的關(guān)系通過實驗總結(jié)的方式串在一起分析比較，把考點與中考真題結(jié)合到一起進行分析比較，同時使用彈簧對實驗進行改進和創(chuàng)新應(yīng)用，使學(xué)生更好地將掌握的知識點進行運用，達到最佳效果。

關(guān)鍵詞：彈簧;力學(xué);彈簧測力計;中考考點

中圖分類號：G42? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2095-9192（2022）06-0061-03

引? 言

力學(xué)知識是物理學(xué)中重要的內(nèi)容之一。關(guān)于力學(xué)，南京市中考指導(dǎo)書上對學(xué)生的要求如下：通過常見事例或?qū)嶒?，了解重力、彈力和摩擦力，認(rèn)識力的作用效果;用示意圖描述力;測量力的大小;知道二力平衡條件;通過實驗，認(rèn)識牛頓第一定律，用物體的慣性解釋自然界和生活中的有關(guān)現(xiàn)象。這一系列的表述對學(xué)生掌握力學(xué)知識有較高的要求。在力學(xué)的復(fù)習(xí)中，雖然學(xué)生能感受到生活中的“力”無處不在，但是當(dāng)把不同的力分門別類時，還是經(jīng)常感到毫無頭緒。教師如果能用一根彈簧把所有的這些力輕松地展示出來，那么學(xué)生復(fù)習(xí)起來就會覺得輕松許多。下面筆者以蘇科版教材為例，談?wù)勁c彈簧有關(guān)的中考力學(xué)考點。

一、彈簧的物理屬性——彈簧的彈性形變與外力的關(guān)系

在物理學(xué)中，彈簧是力學(xué)知識中常見的物理器材。彈簧具有能屈能伸的物理屬性，也就是彈性。找出伸縮的長短（也就是形變量）與所受彈力大小的關(guān)系，即胡克定律，也是學(xué)生認(rèn)識彈簧的第一個實驗。初識彈簧是因為學(xué)習(xí)彈力，而彈力產(chǎn)生的原理是物體發(fā)生了彈性形變，力圖恢復(fù)原來的形狀，而對另一個物體產(chǎn)生的力。在具體教學(xué)時，教師可給學(xué)生出一謎語：“能屈能伸”打一物理器材，用謎語的形式激發(fā)學(xué)生的興趣，讓學(xué)生對彈簧的物理屬性有更形象的認(rèn)識，同時也能更形象地理解彈性形變與外力之間的關(guān)系。利用彈簧的彈性形變與外力的關(guān)系，人們制成了測量力的工具——彈簧測力計。

二、彈簧測力計在實驗中的廣泛應(yīng)用

彈簧測力計是物理中的基礎(chǔ)測量工具。常見的彈簧測力計主要由彈簧、秤鉤、刻度盤、指針、彈簧外殼、拉環(huán)等部分組成。力的作用效果可以通過彈簧的形變來反映;刻度盤和指針可以用來直接表征在測量范圍內(nèi)所測力的大小;秤鉤的作用是懸掛被測物體;拉環(huán)起到了固定彈簧測力計的作用，便于其靜止后讀數(shù)。筆者系統(tǒng)整理了在蘇教版初中物理教材中使用彈簧測力計所涉及的相關(guān)實驗后發(fā)現(xiàn)，使用彈簧測力計可以測量重力、彈力、摩擦力、浮力等，同時在這些實驗中，還探究了力與力之間的關(guān)系。彈簧測力計在實驗中的應(yīng)用如下。

（一）探究物體所受重力跟物體質(zhì)量的關(guān)系

相關(guān)力學(xué)知識點：測重力、彈力。

力與運動的關(guān)系：豎直方向的平衡力（靜止）、相互作用力。

科學(xué)方法：等效替代法。

還需探究的問題：彈簧測力計的示數(shù)為什么等于物體的重力？

本實驗是研究物體所受重力跟物體質(zhì)量的關(guān)系，目的是測量重力，用彈簧測力計探究物體所受重力跟物體質(zhì)量的關(guān)系時， 彈簧測力計的示數(shù)為什么等于物體的重力？這里彈簧測力計示數(shù)顯示的是物體對彈簧的拉力，物體對彈簧的拉力和物體受到的重力之間有什么聯(lián)系呢？這時學(xué)生會聯(lián)想到物體對彈簧的拉力和彈簧對物體的拉力是一對相互作用力，再選擇被測量的物體為研究對象：被測量物體的自身重力和彈簧對物體的拉力，是一對平衡力。這三者之間存在一種等效替代的關(guān)系。由此得到彈簧測力計的示數(shù)等于物體的重力。通過這一實驗，學(xué)生既可以復(fù)習(xí)重力與質(zhì)量之間的關(guān)系，又鞏固了彈力的定義，同時還可以復(fù)習(xí)平衡力與相互作用力的區(qū)別。

（二）探究滑動摩擦力大小的影響

相關(guān)力學(xué)知識點：摩擦力、彈力。

力與運動的關(guān)系：水平方向的二力平衡（勻速直線運動）。

在實驗室中，怎樣測出木塊在水平木板上運動時所受到的摩擦力？本實驗利用彈簧測力計拉著物體在水平方向做勻速直線運動，彈簧測力計示數(shù)顯示的是彈簧對木塊的拉力，彈簧對木塊的拉力和木塊對彈簧的拉力是一對相互作用力，木塊在水平方向受到彈簧測力計的拉力和木板對木塊的滑動摩擦力是一對平衡力，再利用等效替代的關(guān)系得到彈簧上顯示的示數(shù)等于木塊受到的拉力。綜上，筆者結(jié)合二力平衡知識來研究滑動摩擦力的大小與什么因素有關(guān)，同時還考查了學(xué)生對控制變量法的掌握和理解情況。

（三）估測大氣壓值

相關(guān)力學(xué)知識點：測壓力、拉力。

力與運動的關(guān)系：運動狀態(tài)不發(fā)生改變時，受平衡力。

該實驗利用彈簧測力計等器材來估測大氣壓值，其原理是壓強的計算公式p=F/S。用彈簧測力計緩慢拉動活塞，在活塞剛開始滑動時讀數(shù)，此時活塞處于平衡狀態(tài)，彈簧測力計對活塞的拉力和活塞對彈簧測力計的拉力是一對相互作用力。以活塞為研究對象，活塞受大氣壓力和彈簧測力計對活塞的拉力為一對平衡力。

以上三個實驗有一個共同的特點，就是被彈簧測力計拉動物體的運動狀態(tài)都處于平衡狀態(tài)，都受到二力平衡。

（四）探究下沉的物體是否受到浮力

相關(guān)力學(xué)知識點：測浮力。

力與運動的關(guān)系：平衡力。

本實驗利用彈簧測力計探究下沉的物體是否受到浮力，這種測量浮力大小的方法稱為“稱重法”，浮力公式為F=G-F。這時下沉的物體處于靜止、平衡狀態(tài)，那么根據(jù)力與運動的關(guān)系，該物體應(yīng)受平衡力。此處不是受二力平衡，是豎直向上的浮力和彈簧測力計對物體的拉力等于物體的重力，是豎直方向的三力平衡。

（五）再探動滑輪

目的：測滑輪組的機械效率。

力與運動的關(guān)系：運動狀態(tài)不發(fā)生改變時（平衡狀態(tài)），受平衡力。

操作要領(lǐng)：用彈簧測力計沿豎直方向勻速拉動一個動滑輪，彈簧拉繩子和繩子拉彈簧是一對相互作用力。以被提升的滑輪為研究對象，此時豎直向下的動滑輪的重力和被拉的物體對滑輪的拉力之和等于兩股繩子對動滑輪的拉力（忽略繩重和摩擦）。此處是四個力在同一條直線（豎直方向）上平衡。

以上兩個實驗有一個共同的特點，就是被彈簧測力計拉的物體的運動狀態(tài)都處于平衡狀態(tài)，在同一條直線上都受到多個平衡力。

針對上述實驗，筆者選擇了如下兩道變式訓(xùn)練題。

原題1：（2016·南京卷）如圖1所示，在水平桌面上用手指壓鉛筆尖，鉛筆在豎直位置處于靜止?fàn)顟B(tài)。在圖中畫出鉛筆所受彈力的示意圖。

原題2：如圖1所示，在水平桌面上用手指豎直向下壓鉛筆尖，下面說法正確的是（? ? ?）。

A.手指對鉛筆的力和桌面對鉛筆的力是一對平衡力，它們的大小相等

B.手指對鉛筆的力和鉛筆對桌面的力大小相等，因為力的作用是相互的

C.因為手指的形變程度更大，所以鉛筆對手指的力大于手指對鉛筆的力

D.由于鉛筆受到重力作用，所以手指對鉛筆的力小于桌面對鉛筆的力

同一個圖，近幾年兩次出現(xiàn)在中考試卷中，一次是以作圖的方式，一次是以選擇的方式，作圖是考彈力的知識點，選擇題是考平衡力和相互作用力的知識點。

（六）探究杠桿平衡條件

此處是杠桿受到鉤碼的拉力和彈簧測力計的拉力力矩的平衡。

總結(jié)：以上實驗可以整理、探索、發(fā)現(xiàn)一個共性，那就是運動狀態(tài)幾乎不發(fā)生改變，即在平衡狀態(tài)（靜止或者勻速直線運動）下進行的。因此，教師就可以利用這個知識點，即處于平衡狀態(tài)的物體一定會受平衡力來設(shè)計這些實驗。

三、彈簧涉及的其他相關(guān)知識

相關(guān)力學(xué)知識點：受力情況為非平衡力。

相關(guān)運動的知識點：壓縮的彈簧——非平衡狀態(tài)，即加速、減速。

力與運動的關(guān)系：重點是處于非平衡狀態(tài)的物體受非平衡力。在初中階段的物理學(xué)習(xí)中，力與運動的關(guān)系是把力和運動之間用某一橋梁銜接起來，是重點，也是難點。

實驗設(shè)計：將一根彈簧豎直放置在地面上，上面放一個小球，將小球壓縮至最低點，松手后觀察小球被彈簧彈起的過程，分析小球受力的變化過程，并分析小球的運動狀態(tài)，引出當(dāng)物體運動狀態(tài)發(fā)生改變時，受力不平衡。

另外，教師在這里要讓學(xué)生明白哪一段物體在加速，哪一段物體在減速，什么時候物體的速度最大（當(dāng)小球重力=彈簧對小球的彈力時）。

方法1：教師可以用手機慢動作拍一個小球壓縮彈簧和小球上升的視頻，讓學(xué)生清晰地看見小球在彈簧彈力的作用下上升，運動狀態(tài)是先加速后減速。另外，再將小球上升的過程分幾個階段進行受力和運動狀態(tài)的分析和速度的大小分析。

小球的能量轉(zhuǎn)化：小球先加速后減速，小球的動能先增加后減少，小球的重力勢能增加。

彈簧的能量轉(zhuǎn)化：彈簧的彈性勢能一直在減少。

能量的相互轉(zhuǎn)化：彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為小球的動能。

方法2：教師可以用一個類似于彈簧振子的動畫，計算出彈簧的伸長量與所受拉力之間的關(guān)系，然后輸入動畫中，使學(xué)生能一眼看出彈簧形變與彈力之間的數(shù)量關(guān)系，再給出小球的重力，這樣小球受到合力的大小就很容易計算。再通過牛頓第二定律F合=ma和公式S=at2，v=at計算當(dāng)物體處于某位置時，該小球的速度。教師要通過二次函數(shù)圖像的形式把速度大小展示出來，讓學(xué)生清晰地看到究竟是加速還是減速。

四、與彈簧有關(guān)的創(chuàng)新應(yīng)用

（一）利用彈簧探究阻力對物體運動的影響

器材：彈簧、木板、玻璃板、棉布、小車。

操作步驟：

（1）將棉布鋪在水平木板上，將彈簧壓縮至同一位置A點，使小車僅靠彈簧A點，放開彈簧，記下小車最終停在棉布上的位置。

（2）移開棉布，將彈簧壓縮至同一位置A點，使小車僅靠彈簧A點，放開彈簧，記下小車最終停在木板上的位置。

（3）將玻璃板鋪在水平木板上，將彈簧壓縮至同一位置A點，使小車僅靠彈簧A點，放開彈簧，記下小車最終停在玻璃上的位置。

（4）將實驗情況填入表1。

創(chuàng)新變式訓(xùn)練：將一根彈簧豎直放置在地面上，上面放一個小木塊，此時木塊對彈簧的力和桌面對彈簧的力是不是一對平衡力，它們的大小是否相等？

（二）力學(xué)傳感器的巧妙替代應(yīng)用

彈簧測力計可以測拉力，也可以測壓力（操作：把彈簧測力計倒過來，指針零刻度固定，再壓縮彈簧）。使用力學(xué)傳感器，用儀表的形式展示，零刻度在中間，零刻度的左邊是表示壓力，零刻度的右邊是表示拉力，儀表的刻度能直觀地表示力的大小，效果明顯。

結(jié)? 語

一根彈簧展示了相互作用力、平衡力和基本的力與力之間的關(guān)系，這就是重要的“小物體，大作用”。教師在日常教學(xué)中要善于挖掘這種關(guān)鍵的小物體，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中能有不一樣的體會。

[參考文獻]

[1]陳慶菊.彈簧測力計在初中物理實驗中的妙用[J].中小學(xué)實驗與裝備，2008（01）：24-25.

作者簡介：劉雪燕（1980.5-），女，江蘇南京人，任教于南京市旭東中學(xué)，一級教師，本科學(xué)歷，曾榮獲區(qū)“優(yōu)秀教育工作者”。